Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 5, стр. 24-31

ВВЕДЕНИЕ

Понятие “ослабленная зона” довольно широко используется в различных областях знаний, в том числе и в естественных науках. Так, в геологии, в зависимости от смысла, вкладываемого в происхождение ослабленных зон, они могут рассматриваться как геодинамически активные зоны [2, 4], диаклазовые швы и внутриразломные зоны [7], зоны суперинтенсивных деформаций [3], области динамического влияния разломов кристаллического фундамента [10] и другие.

Формирование ослабленных зон наиболее часто связывается с механическими колебаниями, происходящими в зонах погребенных вещественно-структурных неоднородностей (разломов, контактов, разделов). Причина колебаний – разгрузка неравномерно распределенных тектонических напряжений, которые передаются от зон древних неоднородностей вверх по осадочному чехлу, провоцируя в нем образование зон повышенной трещиноватости горных пород, а также увеличение интенсивности восходящих газово-флюидных и тепловых потоков [2, 6].

С ослабленными зонами связывается образование гидрогеологических окон и геофизических аномалий [2, 6], а также повышенная инфильтрация поверхностных загрязнителей в водоносные горизонты, формирование ландшафтных аномалий на геохимических барьерах с высокими концентрациями химических элементов различных классов опасности [5, 14]. С этих позиций оценивается геоэкологическая значимость выявления и изучения ослабленных зон.

С инженерно-геологических позиций ослабленные зоны, как правило, рассматриваются как структуры, в которых плотностные и прочностные характеристики горных пород ниже, чем в окружающем их массиве, что создает благоприятные условия для локализации и интенсивного развития многих экзогенных процессов: эрозионных, карстово-суффозионных, оползневых, оседаний и провалов, которые в конечном счете могут привести к нарушению безопасной эксплуатации инженерных сооружений, построенных в пределах таких зон, их кренам и разрушению [4, 7, 8, 11].

Как правило, инженерно-геологические исследования в целом не нацелены на прямое выявление и изучение ослабленных зон. Тем не менее, такие методы, как бурение инженерно-геологических скважин с последующим лабораторным изучением отобранных образцов грунтов, геофизические исследования, в том числе методом спектрального сейсмопрофилирования, а также методы дистанционного зондирования способны помочь инженер-геологам в выявлении и изучении ослабленных зон [1].

С нашей точки зрения, особенно актуальны те методы, с помощью которых можно получить необходимую геологическую информацию без нарушения целостности грунтовых массивов. Подобный подход крайне важен при выполнении работ в районах расположения таких особо опасных, технически сложных и уникальных объектов, как АЭС, и тем более, если вблизи участка исследований находятся инженерные сооружения в аварийном или в предаварийном состоянии [9].

Данное исследование посвящено выявлению ослабленных зон в пределах площадки Бушерской АЭС, которая расположена в Иране вблизи г. Бушер. Ее строительство началось в 1975 г., а первый энергоблок был впервые запущен лишь в 2011 г. Примечательно, что во время возведения зданий атомной электростанции фиксировались крены их фундаментов, что можно связать с наличием ослабленных зон в грунтовых основаниях сооружений станции, которые не были выявлены и изучены на этапе инженерно-геологических изысканий. Планы ввода к 2026 г. в эксплуатацию двух новых энергоблоков обусловливают особую актуальность обозначенной проблемы.

ГЕОЛОГО-ТЕКТОНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЛОЩАДКИ АЭС “БУШЕР”

В геологическом отношении рассматриваемая территория представлена песчано-глинистыми отложениями плиоценового возраста мощностью более 100 м (формация Агаджари), перекрытыми покровными органогенно-обломочными отложениями (caprock) средне- и позднечетвертичного возраста мощностью от 1 до 4.5 м. На “кэпроке” залегают современные эоловые пески небольшой мощности. Они в совокупности с вышеупомянутыми отложениями слагают асимметричную антиклиналь северо-западного – юго-восточного простирания, у которой северо-восточное крыло более крутое, чем юго-западное, где и расположена площадка АЭС “Бушер”. Примечательно, что между песчано-глинистыми отложениями и “кэпроком” отмечен перерыв в осадконакоплении и угловое несогласие [12, 13].

В 1975 и 1976 гг. на территории Бушерской АЭС проводились инженерно-геологические изыскания американской фирмой “Dames&Moore”, на основе материалов которых путем анализа пространственной изменчивости физических и физико-механических свойств грунтов, выявления гидрогеохимических аномалий, а также посредством дешифрирования аэрофотоснимков удалось выделить три тектонически ослабленные зоны: 1) Магистральная (Мг), 2) Безымянная (Бз) и 3) Катар-Казерунская (Кк) (рис. 1).

Рис. 1.

Тектоническая схема юго-восточной части Бушерского полуострова. 1 – позднеплиоцен-четвертичные отложения; 2 – Персидский залив; 3 – современные ослабленные зоны: Мг – Магистральная, Бз – Безымянная; 4 – погребенный Катар-Казерунский мезозойский разлом (Кз), 5 – ось антиклинальной складки; 6 – граница маршей (бергштрихи направлены в сторону новейшего прогиба); 7 – ориентация действующих напряжений.

Магистральная зона пересекает западную часть площадки АЭС. В ее пределах отмечаются повышенный коэффициент фильтрации грунтов и заметные геохимические аномалии состава подземных вод, возможно связанных с нефтяным месторождением Бушерской антиклинали. За площадкой в северо-западном направлении рассматриваемая зона проявлена сгущением изогипс деформаций надпляжных террас и эрозионными бровками некоторых долин, развивающихся в сезон дождей.

Безымянная зона “проходит” севернее площадки АЭС, за пределами которой она выражена в изогипсах деформаций морских террас, качественно характеризующих ее подвижность. С зоной согласуются эрозионная бровка бухты Халиле, русловые врезы и некоторые бессточные ложбины полуострова. Безымянная зона, как и Магистральная, является протяженной транзитной, что позволяет связывать ее с древними разломами, находящимися в складчатом основании мезозойско-палеозойских отложений.

Катар-Казерунская зона выделена в юго-восточной оконечности площадки АЭС и прослежена за ее пределами. Ее образование связывается с одноименным разломом или структурной линией, выраженной в рельефе. Согласно результатам дешифрирования аэрофотоснимков и данным инженерно-геологических изысканий, разлом рассматривается в качестве зоны повышенной геодинамической активности и, соответственно, в качестве сейсмогенерирующего. В связи с этим роль сопутствующей ему ослабленной зоны становится более значимой, чем как зоны грунтов с пониженными плотностными и физико-механическими свойствами, так как ее влияние на площадку следует рассматривать не только с геомеханических, но и сейсмотектонических позиций.

ОСЛАБЛЕННЫЕ ЗОНЫ В ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ РЕАКТОРНОГО ОТДЕЛЕНИЯ № 1

В связи с возобновлением строительства Бушерской АЭС в 1998–1999 гг. иранскими и российскими организациями (“Mahab Ghodss”, АО “ПНИИИС”, ИФЗ РАН и др.) проводилось дополнительное исследование инженерно-геологических условий рассматриваемой территории, в том числе с применением геофизических методов. Особое внимание было уделено изучению грунтового основания реакторного отделения № 1 (РО № 1) (рис. 2), которое, на протяжении всего срока строительства испытывало неравномерные осадки.

Рис. 2.

Осадки фундаментов основных зданий АЭС “Бушер”. 1 – грунты: а) с ненарушенным сложением, б) относительно нарушенные (разуплотненные); 2 – участок деформации железобетонного трубопровода; 3 – скважины для вертикального сейсмопрофилирования (ВСП). Основные здания АЭС: I – реакторное отделение № 1, II – машинный зал, III – спецкорпус, IV – здание приема и переработки отработанного ядерного топлива; 4 – направление кренов (стрелки); цифры: в числителе – значения крена относительно критической величины, равной 1; в знаменателе – месяц и год измерений.

Результаты вышеупомянутых исследований, а также материалы инженерно-геологических изысканий 1975–1976 гг. позволили обозначить в основании РО № 1 несколько ослабленных зон, выделение которых основано, прежде всего, на анализе данных скоростей продольных (Vр) и поперечных (Vs) волн, полученных методом вертикального сейсмопрофилирования (ВСП) между скважинами С1, С2 и С3. Данный геофизический метод позволяет оценить изменчивость скоростей сейсмических волн, проходящих через те или иные грунты, и связать ее с изменчивостью их плотностных и физико-механических свойств.

По результатам ВСП был построен ряд профилей поперечных и продольных волн; их длина составила 80–90 м, глубина – почти 100 м. В данной статье предлагается детально рассмотреть профили распределения Vp между скважинами С3 и С1, С2 и С3, как наиболее представительные и информативные. Отметим, что в изучаемом грунтовом массиве в целом наблюдается снижение Vр (с 2100 до 1300 м/с) и Vs (с 745 до 400 м/с) от РО № 1 в юго-западном направлении.

1. На профиле С3–С1 (рис. 3) на фоне изменения скоростей продольных волн проявляются несколько аномальных зон линейной и округлой формы. Так, отчетливо выделяется протяженная по глубине заложения зона “б” повышенных скоростей продольных волн, круто погружающаяся от скважины С3 в направлении скважины С1 на глубины от 0 до 90 м и более. Почти параллельно ей выделены еще две линейные зоны: зона “а” с пониженными Vp, для которой на участке профиля от 45 до 50 м характерен небольшой “уступ”, после которого она имеет более крутое падение; а также зона “в”, залегающая на глубине от 35 м и более, характеризуемая увеличенными Vp, что отчасти роднит ее с зоной “б”.

Рис. 3.

Распределение скоростей продольных волн (Vр) в грунтовом основании реакторного отделения № 1 между скважинами С1 и С3. 1 – скважины (С1 и С3); 2 – пункт удара; 3 – ослабленная зона “а”, выраженная понижением Vp; 4 – зоны, выраженные повышением Vp (“б”, “в” и “г”); 5 – изолинии Vp, м/c; 6 – шкала скоростей продольных волн.

Зоны “а”, “б” и “в” проявились и в распределении скоростей поперечных волн, что в совокупности с линейным распространением говорит об их естественном происхождении, а изменчивость их формы (особенно зоны “а”) отражает техногенное воздействие на них реакторного отделения № 1. При этом зона “а”, характеризуемая пониженными значениями Vp, является ослабленной.

Зона округлой формы “г” отчетливо выделяется в интервале профиля 50–80 м на глубинах 0–25 м; она выражена аномально высокими скоростями продольных волн (от 1900 до 2100 м/сек). Сопоставление полученных данных с материалами инженерно-геологических изысканий, выполненных на проектной стадии строительства РО № 1, показывает, что данная округлая зона не должна выделяться; это указывает на ее техногенное происхождение.

2. На профиле С2–С3 (рис. 4) также отчетливо выделяются зоны аномального распределения скоростей продольных волн: протяженные (“д”, “е” и “ж”), имеющие угол падения около 45°, и относительно короткие по глубине заложения, падающие навстречу первым (“з”, “и”).

Рис. 4.

Профиль распределения скоростей продольных сейсмических волн (Vр) в грунтовом основании реакторного отделения № 1 между скважинами С2 и С3 (пункт удара находится в 98 м от скважины С3). 1 – скважины (С2 и С3); 2 – ослабленная зона “д”, выраженная понижением Vp; зоны, выраженные повышением Vp: 3 – естественные (“е”, “ж”), 4 – техногенно-обусловленные (“и”, “з”); 5 – изолинии Vp, м/c; 6 – шкала скоростей продольных волн.

Вытянутые зоны “е” и “ж”, выделенные по увеличению скоростей продольных волн, погружаются в направлении от скважины С2 в сторону скважины С3 на глубину от 20 до 50 м и более. Между ними, почти параллельно, прослеживается еще одна, более протяженная зона “д”, которая отвечает снижению Vp и является ослабленной. Она кулисообразно погружается с глубины 10 м до 65 м и более, что может указывать на ее сдвиговое происхождение. В распределении Vs также установлены похожие зоны. В целом, глубины залегания и протяженность зон “е”, “ж” и “д” говорит об их естественном тектоническом происхождении, однако их размеры и форма были техногенно изменены в процессе нагружения реакторного отделения № 1. Так, зоны “з” и “и”, выраженные незначительным увеличением Vp, имеют локальный характер распространения и пересекают зону “д” на глубинах 15–20 и 40–45 м соответственно; зона “з” также пересекает зону “ж” на глубине 32–36 м. В распределении скоростей поперечных волн зоны со встречным характером падения не установлены, что может говорить в пользу их техногенного происхождения.

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПЛОЩАДКИ БУШЕРСКОЙ АЭС

Наличие ослабленных зон в пределах площадки Бушерской АЭС подтверждается данными геодезических наблюдений. Так, за период 1976–2002 гг. в процессе строительства РО № 1 и вспомогательных зданий (машинный зал, спецкорпус и др.) осадки их грунтовых оснований происходили неравномерно, а с периодическими “срывами”, что вызывало крены фундаментов по часовой стрелке с восточных румбов в южные (см. рис. 3). Примечательно, что этот процесс происходил независимо от глубин заложения фундаментов зданий и сооружений и их тяжести.

В начале строительства РО № 1 в июне 1976 г. крен его основания составил 0.097 относительно критической единицы (отн. кр. ед.). Позднее, вследствие загрузки здания тяжелым оборудованием в сентябре 1976 г. крен подскочил до величины 0.122 отн. кр. ед., а в декабре 1976 г. – до 0.202 отн. кр. ед. При этом направленность смещений фундамента РО № 1 менялась в юго-восточных румбах. После декабря 1976 г., когда прекратилась интенсивная загрузка здания реакторного отделения, оно продолжало оседать неравномерно и при этом разворачивалось строго по часовой стрелке в сторону тектонически ослабленной Магистральной зоны. Это происходило следующим образом: в мае 1977 г. крен составил 0.238 отн. кр. ед. в ВЮВ направлении, в декабре 1978 г. – 0.200 отн. кр. ед. в ЮВ направлении, в июне 1984 г. – 0.190 отн. кр. ед. в ЮЮВ направлении, а в апреле 2002 г. – 0.191 отн. кр. ед. строго в южном направлении.

Процесс поворота кренов характерен и для относительно легких сооружений неглубокого заложения. Так, спецкорпус испытывал постоянное увеличение кренов по мере его загрузки: в декабре 1976 г. и 1978 г. крены составляли 0.021 и 0.020 отн. кр. ед. соответственно, а с марта 1977 г. по 2002 г. они увеличились с 0.020 до 0.226 отн. кр. ед. Исключением стал март 1977 г., когда крен составлял 0.200 отн. кр. ед. При этом с увеличением осадки здание устойчиво кренилось по часовой стрелке в сторону Магистральной зоны: сначала крен был направлен строго на восток, а потом – на ЮВ. В подобной ситуации находились машинный зал и другие здания атомной станции.

По нашему мнению, основной причиной развития вышеописанных кренов является наличие в грунтовых основаниях сооружений АЭС ослабленных зон, для которых характерны пониженные плотностные и физико-механические характеристики. Вероятно, ситуация усугубилась процессом суффозии, которая провоцировалась постоянно осуществляющимся принудительным и естественным дренажем площадки атомной электростанции. К примеру, принудительный интенсивный дренаж с целью проведения земельных работ осуществлялся во время возобновления строительства АЭС в 2000 г., в результате чего коэффициент фильтрации грунтов мог быть увеличен на порядок, что не могло не сказаться на поведении ослабленных зон.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в пределах юго-восточной части Бушерского полуострова выделено несколько транзитных тектонических зон, которые отчасти пересекают площадку Бушерской атомной электростанции. Согласно геодезическим наблюдениям, крены основных зданий и сооружений АЭС неуклонно разворачиваются в сторону расположения этих зон.

Анализ данных вертикального сейсмопрофилирования позволил установить в пределах грунтового основания РО № 1 зоны снижения и увеличения скоростей продольных и поперечных волн. Первые связываются с пониженными плотностными и физико-механическими характеристиками грунтов и относятся к ослабленным; они протяженные и согласуются с зоной древнего Магистрального разлома, что указывает на их естественное тектоническое происхождение, однако их форма техногенно “скорректирована” под воздействием РО № 1.

В свою очередь зоны, выраженные увеличенными скоростями сейсмических волн, можно разделить на два типа: 1) транзитные линейно вытянутые, образование которых связано с естественным развитием геологической среды; 2) локальные короткие, а также одна округлой формы. Их образование, вероятно, имеет техногенный характер и связано с уплотнением грунтового основания реакторного отделения в процессе его возведения и загрузки.

По нашему мнению, ослабленные зоны, не выявленные в ходе инженерно-геологических изысканий и неучтенные на этапе проектирования Бушерской АЭС, стали причиной развития неравномерных осадок грунтовых оснований зданий атомной электростанции. Постоянный принудительный и естественный дренаж изучаемой площадки, вероятно, спровоцировал активизацию суффозионных процессов, которые усугубили сложившуюся ситуацию.

Также следует отметить, что на границах зон с резким различием плотностных и прочностных свойств грунтов возможно образование сдвиговых напряжений и деформаций, которые, перейдя некое критическое значение, способны вызвать сверхнормативные крены инженерных сооружений.

Результаты выполненных исследований показывают, что решение задач выявления и изучения ослабленных зон является крайне важным для обеспечения безопасного строительства и эксплуатации таких особо опасных объектов, как атомные электростанции.

Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания и плана НИР по теме № г.р. АААА-А19-119021190076-9.